【導讀】金屬結構作為大型機械設備的支持構架，其結構強度是影響機械設備安全可靠運行的關(guān)鍵。隨著(zhù)機械設備朝著(zhù)大型化、重型化、高速化方向發(fā)展，要求設備具有更高安全性，從而突出了結構的強度要求。應力應變測試是研究機械結構強度的重要手段，同時(shí)也廣泛用于起重機、龍門(mén)吊、大型工程機械，以及大飛機上的應力測試等。
金屬結構作為大型機械設備的支持構架，其結構強度是影響機械設備安全可靠運行的關(guān)鍵。隨著(zhù)機械設備朝著(zhù)大型化、重型化、高速化方向發(fā)展，要求設備具有更高安全性，從而突出了結構的強度要求。應力應變測試是研究機械結構強度的重要手段，同時(shí)也廣泛用于起重機、龍門(mén)吊、大型工程機械，以及大飛機上的應力測試等。
機械結構應力監測常用的有光纖光柵傳感器監測與電阻應變計技術(shù)監測。技術(shù)型授權代理商Excelpoint世健的工程師Galen Zhang基于電阻應變計原理的ADI應力測試應用方案展開(kāi)了詳細介紹。
電阻應變計的基本結構與原理
電阻應變計的基本結構主要由四部分組成：金屬電阻應變絲（敏感柵） 、基體、引線(xiàn)和覆蓋層（如圖1）。金屬電阻應變絲是把結構應變轉化為電阻變化的敏感部分，也是電阻應變片的重要組成部分；基體是敏感柵的支撐材料，具有良好的絕緣性，可以使敏感柵和被粘貼物之間保持良好的絕緣性；引線(xiàn)的主要作用是連接敏感柵和測量電路，將電信號輸送到測量電路；覆蓋層可以有效保護敏感柵，防止敏感柵受到機械損傷和環(huán)境溫度與濕度的侵擾等。
圖1.電阻應變計結構
將電阻應變計安裝（如粘貼或焊接）在被測結構件表面上，結構件受力而變形時(shí)，電阻應變計的敏感柵隨之產(chǎn)生相同應變，其電阻值發(fā)生變化，用儀器測量此電阻變化即可測量出構件表面沿敏感柵軸線(xiàn)方向的應變。因此，電阻應變計的主要性能與敏感柵有關(guān)，取敏感柵材料金屬細絲，研究其把應變轉換成電阻變化的關(guān)系。
金屬細絲的電阻R與絲的長(cháng)度L成正比，而與其截面積A成反比，按物理學(xué)有下列公式：
在一定應變范圍內μ、m是常數，因此K0也是常數，即電阻相對變化與應變成比例，K0稱(chēng)為金屬絲的靈敏系數，因此可通電阻測量來(lái)反應應變。
電阻應變計的測量方案
1、測試流程
最前端的傳感器由壓電元件擔任，常用的是應變片或應變計。應變片本身是一個(gè)比較精密的電阻，貼合在機身表面后，機身表面的形變也可以傳遞到應變片上；而應變片本身又是接入到惠斯通電橋中的。因此，機身的形變也就由物理量轉換成了電學(xué)的模擬信號，傳遞到了測量電路中；再通過(guò)帶有屏蔽層的雙絞線(xiàn)等，傳遞到運放芯片，將本來(lái)還比較微弱的電信號放大，并最終通過(guò) ADC 轉換芯片轉換成數字信號。最后，機身形變這一物理量，轉換成了數字量，并存儲到電路后端的 CPU 中做計算和處理?？蓪⒋朔椒ɡL制成框圖（如圖 2）。
圖2.應變計測試流程
2、系統框圖
下圖3所示為ADI的應變計測量方案。通過(guò)差動(dòng)運放AD8276產(chǎn)生一個(gè)激勵電流源或電壓源加在應變變片。通過(guò)AD8422儀表放大器完成惠斯通電橋中應變片上信號的轉換。經(jīng)過(guò)濾波放大后送給ADC來(lái)采集模擬信號。最終經(jīng)過(guò)MCU換算出應變計上電阻變化從而求出應力變化。
圖3.系統框圖
3、重點(diǎn)型號介紹
圖4所示為ADI應變計測量方案信號鏈中型號特性描述。
圖4.信號參數
4、激勵源介紹
精密電流源傳統上采用運算放大器、電阻和其它分立器件構建，但存在尺寸、精度和溫度漂移等方面的不足。如今，高精度、低功耗、低成本集成差動(dòng)放大器的AD8276使得尺寸更小、性能更高的電流源變成現實(shí)（如圖5）。反饋緩沖器使用低失調、低偏置電流放大器，例如ADA4098-2、ADA4622-2、AD8610、AD8603等具體取決于所需電流范圍。
圖5 .差動(dòng)放大器和運算放大器構成精密電流源
輸出電流可以通過(guò)下式計算：
SENSE引腳可以耐受幾乎為電源兩倍的電壓，因此第二個(gè)限制條件相當寬松。2.5V至36V的寬電源電壓范圍使得AD8276成為許多應用的理想之選。A級和B級的最大增益誤差分別為0.05%和0.02%，因此電流源精度最高可達0.02%。
如果所需輸出電流小于A(yíng)D8276的輸出能力15 mA，則可去掉升壓晶體管，如果低電流和降低精度均能接受，則可采用更為簡(jiǎn)單的低成本配置（如圖6）。
圖6.針對低成本、低電流應用的簡(jiǎn)化電路
輸入電壓VREF可以是DAC輸出、基準電壓源或傳感器輸出。如果需要可編程電流源，推薦使用精密14位或16位DAC，如AD5645R、AD5692R、AD5764R、 AD5663R和AD5668等。至于基準電壓源，要求更高性能時(shí)推薦使用精密基準源ADR43x和ADR45xx；要求低功耗時(shí)推薦使用ADR36x；要求低成本時(shí)推薦使用AD158x和ADR504x；要求小尺寸時(shí)推薦使用集成運算放大器與基準電壓源ADR82x。
5、惠斯通電橋介紹
應變計阻抗測量使用AD8422搭惠斯通電橋來(lái)測量（如圖7）。
圖7.惠斯通電橋
儀表放大器AD8422是一款精密、低功耗、低噪聲軌到軌儀表放大器，具有業(yè)界優(yōu)質(zhì)的每單位微安性能。AD8422以超低失真性能處理信號，在整個(gè)輸出范圍內負載不影響性能。
AD8422是業(yè)界標準AD620發(fā)展到第三代的產(chǎn)品。具有極低的偏置電流，高源阻抗時(shí)不會(huì )產(chǎn)生誤差，允許多個(gè)傳感器多路復用至輸入端。低電壓噪聲和低電流噪聲特性使AD8422成為測量惠斯通電橋的理想選擇。
AD8422主要特點(diǎn)：
● 低功耗：最大靜態(tài)電流330μA
● 低噪聲：1khz時(shí)最大輸入電壓噪聲8nv /√Hz
● 電壓漂移：±0.3 μV/°C最大輸入偏置電壓漂移 ，±2 μV/°C最大輸出偏置電壓漂移
● 出色交流特性：10 kHz時(shí)的CMRR：80 dB（最小值，G = 1）
高帶寬: 2.2 MHz @G=1
● 出色直流特性：CMRR：150 dB（最小值，G = 1000）
增益誤差：0.04%（最大值，G = 1000）
輸入失調漂移：0.3 μV/°C（最大值）
輸入偏置電流：0.5 nA（最大值）
● 電源:4.6 V至36v或±2.3 V至±18v
6、電源介紹
LT8653S主要特點(diǎn)：
● Silent Switcher?2 架構：可在任何 PCB 上實(shí)現超低 EMI
消除了 PCB 布局敏感性
內部旁路電容器可降低發(fā)射的 EMI
可選的擴頻調制功能
● 雙通道且每個(gè)通道可同步提供 2 A 直流電流
● 可選的外部 VC 引腳：快速瞬態(tài)響應
● 1 A 時(shí)效率為 94.1%，2MHz 時(shí)可從 12 VIN 提供 5 VOUT
● 快速最短開(kāi)關(guān)接通時(shí)間：30 ns
● 可調并且可同步：300 kHz 至 3 MHz
● 具備快速內部補償功能的內部 2 MHz fSW
ADI應力測試應用方案可以幫助客戶(hù)進(jìn)行高效的電阻應變測試，是進(jìn)行測量惠斯通電橋的理想選擇，ADI還提供靈活豐富的產(chǎn)品方案滿(mǎn)足客戶(hù)個(gè)性化需求，其授權代理商Excelpoint世健能為客戶(hù)提供技術(shù)支持，有助于客戶(hù)縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，加快產(chǎn)品應用部署。
（來(lái)源：世?。?/p>
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